全局快门与滚动快门:哪个最适合您的应用?

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最近,JAI为Go-X系列相机增加了6个型号,至此该系列相机的产品数已经达到30个。不同于JAI在其他扫描相机所采用的“全局快门”,最新的6款相机的与众不同之处在于配备了“卷帘快门”的CMOS芯片。本篇博客将从技术和应用的层面简要阐述这种改变的意义。

顺势而为
首先需要指出,卷帘快门式相机拥有极具吸引力的每百万像素成本。实际上这也是视觉系统设计师将其作为首选的原因。与全局快门传感器相比,卷帘快门传感器的读取模式更简单(我们将在接下一节讨论这个问题)。这表示卷帘快门可以使用更简单的晶体管级结构,从而降低设计和生产成本,即在相同解像度级别的基础上比全局快门相机的成本更低。

因此,对于正在设计视觉系统的工程师而言,相机成本是整个系统的重要组成部分,无论是出于竞争还是市场选择,高竞争力的价格至关重要。因此卷帘快门相机似乎是一个明智的选择,对吗?但实际情况比这更加复杂。

两种不同的读出方式
为了确定究竟是卷帘快门还是全局快门相机更适合您的应用需求,必须先了解这两种传感器在曝光和读取方式上的差异。

在全局快门传感器中,所有像素点/像素行将同时曝光。曝光结束后,每个像素点将其电荷传送至像素存储节点后等待读出。读取过程中,像素点形成线并将进行相关检测(通常是通过相关双采样方法)以确保每个像素点保持合适的噪声参考值。由于像素数据已经从像素井中移除,全局快门相机通常允许在读取过程中开始下一次曝光以保持合理的帧速率。

全局快门模式

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卷帘快门传感器设计更为简单,但由于没有存储节点,因此采用了不同的读取方法。与全局快门传感器的同时曝光不同,卷帘快门传感器中行与行的曝光时间将稍微错开。换言之,第一行像素开始曝光时,第二行的曝光将稍稍延迟。同样,第二行与第三行的曝光也有一个延迟,以此类推直至所有传感器完成曝光并单独读出。每行曝光延迟的时间等于读取一行的时间,因此每一行像素在曝光完成后将立即读出。该方式避免了使用像素级存储节点,同时也意味着不同像素行所捕捉的时刻略有不同。

卷帘快门模式

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传感器能够非常迅速读出每一行像素,卷帘快门传感器两行之间的曝光延迟可能仅有10-20 µs,但是由于传感器有1000或2000行,这表示图像中最后一行可能比第一行的曝光延迟40 ms。

这个时间听起来可能很小,但是当成像物体或相机本身在曝光时间内快速移动时,卷帘快门相机的逐行曝光将造成图像的各种失真。最常见的是“果冻效应”,运动物体在图像中产生倾斜,以及“空间混叠”,例如风扇或螺旋桨等高速旋转物体看起来是弯的甚至呈分离状。

果冻效应(示例)

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此动画简单的展示了卷帘快门在拍摄移动或旋转物体时可能产生的失真。来源: Wikimedia. By Cmglee - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45850383

这是个小(像元)的世界

卷帘快门传感器的结构更简单,也带来了另一个值得注意的现象。由于每个像素所需的电路更少,因此即使使用更小的像元尺寸,但仍然可以留出足够的空间给像素井,以达到良好动态范围和信噪比特性。但是每平方毫米的像素并不总是越多越好。为了充分利用传感器像素数量的额外优势,小像元相机可能需要更昂贵的光学器件来满足小像元所需的MTF。根据特定应用场合的成像质量要求,这可能会抵消卷帘快门传感器相机每百万像素的成本优势。

  • 您的应用是否涉及连续运动的目标或相机? 还是针对安装在车辆或机械臂上的相机,运动将给卷帘快门相机带来一些问题(请见下一个问题的回答)。但如果您的应用场合是“时走时停”型,即在进行图像捕捉时物体将短暂停顿,或者是相机移动至固定目标上的各种“停止位置”,则卷帘快门相机是一个可以接受的选择。
连续移动型应用
(推荐使用全局快门相机)
时停时走型应用
(卷帘快门相机即可)
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  • 图像中物体的形状、大小或准确位置在您的应用中是否非常重要? 包括运动,但允许一定程度的空间失真,那么卷帘快门相机仍然是可以接受的选择。如前所述,卷帘快门相机可能造成移动物体的成像歪斜或者奇怪的不连续。这对于例如计量学、条形识别器或面部识别应用来说是完全无法接受的,但对于某些在场/不在场检查或者态势感知等应用场合仍然可能奏效。
  • 高水平的细节和对比度对您的应用中至关重要吗? 如前所述,卷帘快门相机通常利用较小的像元尺寸(而不仅仅是更简单的设计)最大限度地提高其每百万像素的成本优势。但是更小的像元尺寸则要求更昂贵的光学器件,以达到与大像素相机同样的成像对比度。对于允许低对比度图像的应用场合而言,选择卷帘快门相机同样应该没问题。但如果需要更高的对比度,则拥有稍大像元尺寸的同等级全局快门相机可能使其更容易成为一个相机-镜头组合方案。

运动物体中的卷帘快门?
如前所述,卷帘快门相机通常利用较小的像元尺寸(而不仅仅是更简单的设计)最大限度地提高其每百万像素的成本优势。但是更小的像元尺寸(线对/毫米,lp/mm)则要求更昂贵的光学器件,以达到在相同的成像圈条件下与大像素相机同样的对比度。对于允许低对比度图像的应用场合而言,选择卷帘快门相机同样应该没问题。但如果需要更高的MTF(对比度),则拥有稍大像元尺寸(以及较低分辨率)的同等级全局快门相机可能是一个更为易用的相机-镜头组合方案。

更多关于Go-X系列卷帘快门相机的信息请访问: https://news.jai.com/cn/jai-expands-its-go-x-series-with-new-rolling-shutter-cameras

关于Go-X全系列相机的完整清单,请访问https://www.jai.com/cn/go-x-series获取的产品页链接并下载数据表和其他信息。

 

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